JP7272372B2 - エポキシ樹脂bステージフィルム、エポキシ樹脂硬化フィルム、及びエポキシ樹脂硬化フィルムの製造方法 - Google Patents
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Description
液晶性エポキシ樹脂とアルミナ粒子を組み合わせることで、液晶性エポキシ樹脂がアルミナ表面で高次構造を形成し、その高次構造がアルミナを繋ぐように熱伝導パスを形成し、熱伝導性を高められることが、国際公開2013/065758号に記載されている。
さらに、電気絶縁性でかつ優れた熱伝導性を有する絶縁組成物として、メソゲン基を有するモノマーを含む樹脂組成物を重合させた液晶性樹脂を必須成分として含む絶縁組成物が、特開平11-323162号公報に開示されている。特開平11-323162号公報には、絶縁組成物に酸化アルミニウム等の熱伝導率に優れる無機セラミックを含有させてもよい旨の記載がある。
上記状況に鑑み、本発明の課題は、熱伝導性に優れるエポキシ樹脂硬化フィルムを形成可能なエポキシ樹脂Bステージフィルム、熱伝導性に優れるエポキシ樹脂硬化フィルム、及びエポキシ樹脂硬化フィルムの製造方法を提供することにある。
<1> 液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーと、硬化剤と、を含有するエポキシ樹脂組成物を半硬化させたものであり、
平均厚みが8μm未満であり、
硬化することで、前記硬化物に含まれる液晶構造が、フィルムの膜厚方向に分子が配向した液晶構造となるエポキシ樹脂Bステージフィルム。
<2> 前記液晶性エポキシモノマーが、下記一般式(I)で表されるモノマーを含む<1>に記載のエポキシ樹脂Bステージフィルム。
<3> 前記液晶性エポキシモノマーが、前記一般式(I)で表されるモノマーとハイドロキノン及びビフェノールからなる群より選択される少なくとも1種との反応生成物を含む<2>に記載のエポキシ樹脂Bステージフィルム。
<4> 前記硬化剤が、アミン硬化剤を含む<1>~<3>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂Bステージフィルム。
<5> フィルムの膜厚方向に分子が配向した液晶構造を含み、平均厚みが8μm未満のエポキシ樹脂硬化フィルム。
<6> 前記液晶構造が、ネマチック構造又はスメクチック構造である<5>に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
<7> 液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーと、硬化剤と、を含有するエポキシ樹脂組成物の硬化物である<5>又は<6>に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
<8> 前記液晶性エポキシモノマーが、下記一般式(I)で表されるモノマーを含む<7>に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
<9> 前記液晶性エポキシモノマーが、前記一般式(I)で表されるモノマーとハイドロキノン及びビフェノールからなる群より選択される少なくとも1種との反応生成物を含む<8>に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
<10> 前記硬化剤が、アミン硬化剤を含む<7>~<9>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
<11> <1>~<4>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂Bステージフィルムの硬化物である<5>又は<6>に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
<12> 液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーと、硬化剤と、を含有するエポキシ樹脂組成物を用いて150℃以下で平均厚みが8μm未満のフィルムを形成する工程と、
200℃以下の硬化温度で前記フィルムを硬化する工程と、
を有するエポキシ樹脂硬化フィルムの製造方法。
本開示において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「膜」との語には、当該膜が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本開示において、平均厚みは、対象物の無作為に選んだ5点の厚みを測定し、その算術平均値として与えられる値とする。厚みは、マイクロメーター等を用いて測定することができる。
本開示のエポキシ樹脂Bステージフィルム(以下、単に「Bステージフィルム」と称することがある。)は、液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーと、硬化剤と、を含有するエポキシ樹脂組成物を半硬化させたものであり、平均厚みが8μm未満であり、硬化することで、前記硬化物に含まれる液晶構造が、フィルムの膜厚方向に分子が配向した液晶構造となるフィルムである。
Bステージフィルムが上記構成であることで、Bステージフィルムの硬化物は、熱伝導性が向上するものと考えられる。Bステージフィルムは、さらにその他の成分を含んでいてもよい。
本開示において、「Aステージ」及び「Bステージ」については、JIS K6900:1994の規定を参照するものとする。Bステージフィルム中には未反応の液晶性エポキシモノマー及び硬化剤が残存しているため、Bステージフィルムを加熱することにより硬化することができる。
本開示において、エポキシ樹脂組成物を「半硬化させる」とは、エポキシ樹脂組成物を加熱してBステージまで反応を進行させることをいう。
本開示で用いられるエポキシ樹脂組成物は、液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーと、硬化剤と、を含有し、必要に応じてその他の成分を含有してもよい。
エポキシ樹脂組成物は、液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーを含有する。このような液晶性エポキシモノマーとしては、例えば、メソゲン構造(ビフェニル基、シクロヘキシルフェニル基、ターフェニル基、ターフェニル類縁基、アントラセン基、これらがアゾメチン基又はエステル基で接続された基等)を有するモノマーが挙げられる。メソゲン構造を有する液晶性エポキシモノマーが硬化剤と反応して硬化物(樹脂マトリックスと称することがある。)を形成すると、樹脂マトリックス中にメソゲン構造に由来する高次構造(周期構造ともいう)が形成される。
なお、樹脂マトリックス全体に対する液晶構造の割合は、例えば、偏光顕微鏡で観察することにより、簡易的に測定することができる。具体的には、硬化物を偏光顕微鏡(例えば、株式会社ニコン製、製品名:「OPTIPHOT2-POL」)で観察して液晶構造の面積を測定し、偏光顕微鏡で観察した視野全体の面積に対する百分率を求めることにより、樹脂マトリックス全体に対する液晶構造の割合を簡易的に測定することができる。
一般式(I)で表されるモノマーを含め、分子構造中にメソゲン構造を有する液晶性エポキシモノマーは一般的に結晶化し易く、溶剤への溶解度はその他のエポキシモノマーと比べると低いものが多い。液晶性エポキシモノマーの少なくとも一部を重合させてプレポリマーとすることで、結晶化が抑制され、エポキシ樹脂組成物の成形性が向上する傾向がある。
これらのプレポリマー化剤は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
あるいは、液晶性エポキシモノマーとプレポリマー化剤と必要に応じて用いる反応触媒とを、溶剤を用いずに混合し、加熱しながら撹拌することで、プレポリマーを合成することができる。
まず、液晶性エポキシモノマーを反応容器に投入し、必要に応じて溶剤を入れ、オイルバス又は熱媒により反応温度まで加温し、液晶性エポキシモノマーを溶解する。そこにプレポリマー化剤を投入し、次いで必要に応じて反応触媒を投入し、反応を開始させる。次いで、必要に応じて減圧下で溶剤を留去することで、プレポリマーが得られる。
液晶性エポキシモノマーの全固形分に対する含有率(体積%)=[(Bw/Bd)/{(Aw/Ad)+(Bw/Bd)+(Cw/Cd)+(Dw/Dd)}]×100
ここで、各変数は以下の通りである。
Aw:必要に応じて用いられるフィラーの質量組成比(質量%)
Bw:液晶性エポキシモノマーの質量組成比(質量%)
Cw:硬化剤の質量組成比(質量%)
Dw:その他の任意成分(溶剤を除く)の質量組成比(質量%)
Ad:必要に応じて用いられるフィラーの比重
Bd:液晶性エポキシモノマーの比重
Cd:硬化剤の比重
Dd:その他の任意成分(溶剤を除く)の比重
エポキシ樹脂組成物は、硬化剤を含有する。硬化剤は、液晶性エポキシモノマーと硬化反応が可能な化合物であれば特に制限されるものではない。硬化剤の具体例としては、アミン硬化剤、酸無水物硬化剤、フェノール硬化剤、ポリメルカプタン硬化剤、ポリアミノアミド硬化剤、イソシアネート硬化剤、ブロックイソシアネート硬化剤等が挙げられる。これらの硬化剤は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
具体的には、液晶性エポキシモノマーにおけるエポキシ基の1当量に対して硬化剤の官能基の当量数が0.005当量~5当量であることが好ましく、0.01当量~3当量であることがより好ましく、0.5当量~1.5当量であることがさらに好ましい。硬化剤の官能基の当量数がエポキシ基の1当量に対して0.005当量以上であると、液晶性エポキシモノマーの硬化速度をより向上することができる傾向にある。また、硬化剤の官能基の当量数がエポキシ基の1当量に対して5当量以下であると、硬化反応をより適切に制御することができる傾向にある。
エポキシ樹脂組成物は、フィラーを含有してもよい。フィラーとしては、熱伝導性と絶縁性の観点から、セラミック粒子を用いることができる。セラミック粒子としては、アルミナ粒子、シリカ粒子、酸化マグネシウム粒子、窒化ホウ素粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ケイ素粒子等が挙げられる。フィラーは、アルミナ粒子、窒化ホウ素粒子、窒化アルミニウム粒子及び酸化マグネシウム粒子からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミナ粒子を含むことがより好ましい。アルミナ粒子は、結晶性が高いアルミナ粒子を含むことが好ましく、α-アルミナ粒子を含むことがより好ましい。
また、フィラーがアルミナ粒子を含む場合、熱伝導性の観点から、エポキシ樹脂組成物の硬化物中において、アルミナ粒子の表面に対して垂直方向にスメクチック構造の周期構造を形成していることが好ましい。
エポキシ樹脂組成物は、さらに、カップリング剤、分散剤、エラストマー、離型剤、溶剤等を含有してもよい。
溶剤としては、アセトン、イソブチルアルコール、イソプロピルアルコール、イソペンチルアルコール、エチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、キシレン、クレゾール、クロロベンゼン、酢酸イソブチル、酢酸イソプロピル、酢酸イソペンチル、酢酸エチル、酢酸メチル、シクロヘキサノール、シクロヘキサノン、1,4-ジオキサン、ジクロロメタン、スチレン、テトラクロロエチレン、テトラヒドロフラン、トルエン、ノルマルヘキサン、1-ブタノール、2-ブタノール、メタノール、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、メチルシクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノン、クロロホルム、四塩化炭素、1,2-ジクロロエタン等の一般的に各種化学製品の製造技術で利用されている有機溶剤を使用することができる。
本開示のBステージフィルムは、例えば、上述のエポキシ樹脂組成物を8μm未満の平均厚みに成形して、半硬化させることによって製造することができる。エポキシ樹脂組成物を平均厚み8μm未満に成形する方法としては、バーコート法、スピンコート法等が挙げられる。均一成形の観点からはスピンコート法が好ましい。スピンコートのスピンの速度に制限はなく、50回転/分~5000回転/分が好ましく、100回転/分~3000回転/分がより好ましく、500回転/分~2500回転/分がさらに好ましい。
スピンコートを行う際の温度に制限はないが、エポキシ樹脂組成物の硬化が進行しすぎることのないように、150℃以下が好ましく、100℃以下がさらに好ましい。
また、スピンコート法を用いる場合、スピンコートの際の温度及びスピンコートの時間を調整して成形体を半硬化させてもよい。
本開示のBステージフィルムは、分子の配向性が高く、硬化物としたときの熱伝導性に優れる。したがって、本開示のエポキシ樹脂Bステージフィルムは、各種の電気機器及び電子機器に搭載される発熱性電子部品の放熱材料等に好適に用いることができる。
本開示のエポキシ樹脂硬化フィルムは、フィルムの膜厚方向に分子が配向した液晶構造を含み、平均厚みが8μm未満のものである。エポキシ樹脂硬化フィルムに含まれる液晶構造はフィルムの膜厚方向に分子が配向した液晶構造であることから、本開示のエポキシ樹脂硬化フィルムは熱伝導性に優れる。
液晶構造が、フィルムの膜厚方向に分子が配向しているものであるか否かは、偏光顕微鏡のコノスコープ観察によって調べることができる。具体的には、偏光顕微鏡(例えば、株式会社ニコン製、製品名:「OPTIPHOT2-POL」)を用いて直交ニコル下にエポキシ樹脂硬化フィルムを配置した状態で、オルソスコープ観察で暗視野になり、コノスコープ観察でマルタ十字が観察できれば、フィルムの膜厚方向に分子が配向していることを示す。
本開示のエポキシ樹脂硬化フィルムは、液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーと、硬化剤と、を含有するエポキシ樹脂組成物を用いて150℃以下で平均厚みが8μm未満のフィルムを形成する工程(以下、フィルム形成工程と称することがある。)と、200℃以下の硬化温度で前記フィルムを硬化する工程(以下、硬化工程と称することがある。)と、を有する本開示のエポキシ樹脂硬化フィルムの製造方法を経て得られたものであってもよい。
フィルム形成工程では、エポキシ樹脂組成物を用いてバーコート法、スピンコート法等によりフィルムを形成することができる。フィルム形成工程で形成されたフィルムはBステージフィルムであってもよいし、フィルムに含まれる液晶性エポキシモノマーの硬化が進行していない状態のAステージフィルムであってもよい。
液晶性エポキシモノマー(4-{4-(2,3-エポキシプロポキシ)フェニル}シクロヘキシル=4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート、一般式(I)で表されるモノマー、以下、「樹脂1」ともいう)と4,4’-ビフェノールとを予め反応させたプレポリマー(以下、「樹脂2」ともいう)と、硬化剤(3,3’-ジアミノジフェニルスルホン)と、を加えてエポキシ樹脂組成物を調製した。液晶性エポキシモノマーの含有率は、エポキシ樹脂組成物の全固形分中、約35体積%であった。
なお、樹脂2の合成工程は、後述する。
調製したエポキシ樹脂組成物を、90℃で2000回転/分でガラス基板上にスピンコートした。150℃で4時間硬化させることによりエポキシ樹脂組成物を硬化した後、ガラス基板をフッ化水素酸でエッチングすることにより、エポキシ樹脂硬化フィルムを得た。
得られたエポキシ樹脂硬化フィルムの熱拡散率をBethel社製の熱拡散率測定装置TA3を用いて測定し、測定結果にアルキメデス法により測定した密度と、DSC法により測定した比熱とを乗じることにより、エポキシ樹脂硬化フィルムの厚み方向の熱伝導率を求めた。エポキシ樹脂硬化フィルム中の液晶構造の有無、及び配向方向を、株式会社ニコン製、製品名:「OPTIPHOT2-POL」を用いて調べた。エポキシ樹脂硬化フィルムの平均厚みをマイクロメータを用いて調べた。得られた結果を表1に示す。
500mLの三口フラスコに、樹脂1を50g量り取り、そこに溶剤としてプロピレングリコールモノメチルエーテルを80g添加した。三口フラスコに冷却管及び窒素導入管を設置し、溶剤に漬かるように撹拌羽を取り付けた。この三口フラスコを120℃のオイルバスに浸漬し、撹拌を開始した。樹脂1が溶解し、透明な溶液になったことを確認した後、4,4’-ビフェノールを、エポキシ基及び水酸基の当量比(エポキシ基/水酸基)が100/25となるように添加し、反応触媒としてトリフェニルホスフィンを0.5g添加し、120℃のオイルバス温度で加熱を継続した。3時間加熱を継続した後に、反応溶液からプロピレングリコールモノメチルエーテルを減圧留去し、残渣を室温(25℃)まで冷却することにより、樹脂1の一部が4,4’-ビフェノールと反応して多量体(プレポリマー)を形成した状態の液晶性エポキシモノマー(樹脂2)を得た。
実施例1において、4,4’-ビフェノールの替わりに、ハイドロキノンを用いて、プレポリマー(以下、「樹脂3」ともいう)を合成したこと以外は実施例1と同様にした。液晶性エポキシモノマーの含有率は、エポキシ樹脂組成物の全固形分中、約35体積%であった。
実施例1において、樹脂1の代わりに、液晶性エポキシモノマー(1-(3-メチル-4-オキシラニルメトキシフェニル)-4-(4-オキシラニルメトキシフェニル)-1-シクロヘキセン)(以下、「樹脂4」ともいう)を用いてプレポリマー(以下、「樹脂5」ともいう)を合成したこと以外は実施例1と同様にした。液晶性エポキシモノマーの含有率は、エポキシ樹脂組成物の全固形分中、約35体積%であった。
実施例2において、樹脂1の代わりに、樹脂4を用いてプレポリマー(以下、「樹脂6」ともいう)を合成したこと以外は実施例2と同様にした。液晶性エポキシモノマーの含有率は、エポキシ樹脂組成物の全固形分中、約35体積%であった。
実施例1において、さらに溶剤(テトラヒドロフラン)を、樹脂2の100部に対して100部加えてエポキシ樹脂組成物を調製したこと以外は実施例1と同様にした。
実施例2において、さらに溶剤(テトラヒドロフラン)を、樹脂3の100部に対して100部加えてエポキシ樹脂組成物を調製したこと以外は実施例2と同様にした。
実施例3において、さらに溶剤(テトラヒドロフラン)を、樹脂5の100部に対して100部加えてエポキシ樹脂組成物を調製したこと以外は実施例3と同様にした。
実施例4において、さらに溶剤(テトラヒドロフラン)を、樹脂6の100部に対して100部加えてエポキシ樹脂組成物を調製したこと以外は実施例4と同様にした。
実施例1において、樹脂2の代わりに、非液晶性エポキシモノマー(三菱ケミカル株式会社製:jER828、一般式(I)とは異なる)(以下、「樹脂7」ともいう)に代えたこと以外は実施例1と同様にした。
実施例1において、スピンコートの速度を200回転/分にしたこと以外は実施例1と同様にした。
実施例1において、ガラス基板の代わりに離型フィルム(デュポン社製、メリネックスS(商品名))上にスピンコートして、硬化した後に物理的に剥離させてエポキシ樹脂硬化フィルムを得たこと以外は実施例1と同様にした。
表1中の溶剤の欄の「-」は、溶剤を使用していないことを表す。
それに対し、実施例1~8は、垂直方向(フィルムの膜厚方向)に分子が配向した液晶構造を形成しており、膜厚が薄いため、熱伝導率が高いと考えられる。
Claims (11)
- 前記液晶性エポキシモノマーが、前記一般式(I)で表されるモノマーとハイドロキノン及びビフェノールからなる群より選択される少なくとも1種との反応生成物を含む請求項1に記載のエポキシ樹脂Bステージフィルム。
- 前記硬化剤が、アミン硬化剤を含む請求項1又は請求項2に記載のエポキシ樹脂Bステージフィルム。
- フィルムの膜厚方向に分子が配向した液晶構造を含み、平均厚みが8μm未満であり、前記液晶構造が、ネマチック構造又はスメクチック構造であるエポキシ樹脂硬化フィルム。
- 液晶構造を含む硬化物を形成可能な液晶性エポキシモノマーと、硬化剤と、を含有するエポキシ樹脂組成物の硬化物である請求項4に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
- 前記液晶構造が、ネマチック構造又はスメクチック構造である請求項6に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
- 前記液晶性エポキシモノマーが、前記一般式(I)で表されるモノマーとハイドロキノン及びビフェノールからなる群より選択される少なくとも1種との反応生成物を含む請求項6又は請求項7に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
- 前記硬化剤が、アミン硬化剤を含む請求項5~請求項8のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
- 請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂Bステージフィルムの硬化物である請求項4に記載のエポキシ樹脂硬化フィルム。
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